上海海岸帶地質工作主要成果與應用

黎 兵，嚴學新，何中發(fā)，史玉金

（上海市地質調查研究院，上海 200072）

上海城市地質工作起步于上世紀20年代，歷史悠久，取得了較為豐富的成果，在成果和應用上得到較廣泛的社會認可[1]。上海近岸海域的地質工作，近年來也得到快速發(fā)展，積累了大量地質資料，在基礎地質、水工環(huán)地質和地質環(huán)境監(jiān)測上取得了大量成果，在城市規(guī)劃、土地規(guī)劃和重大工程管理等領域得到一定應用。近10年來，作者一直參與組織開展上海海岸帶地質工作，本文通過對近年來上海海岸帶地質工作成果和應用現(xiàn)狀進行的梳理，以期為上海市更多單位的應用提供線索，為其他沿海省市開展海岸帶地質工作提供參考。

1 上海海岸帶地質工作歷程

上海海岸帶地質工作始于上世紀50年代，但該階段地質資料少且零散。上世紀80年代以來，上海海洋地質調查局、中國科學院海洋地質研究所、華東師范大學、上海市水文地質工程地質隊等單位先后開展了地質調查和研究工作，但受到技術手段限制，調查數(shù)據(jù)質量可利用程度較低，且長江口攔門沙地區(qū)資料較少[2]。2004年以來，上海海岸帶地質工作進入快速發(fā)展時期。依托“上海市三維城市地質調查”、“上海市地質資料信息服務集群化和產業(yè)化工作三年行動計劃”、“長江三角洲海岸帶綜合地質調查與監(jiān)測（上海海岸帶地質調查與監(jiān)測預警示范）”等項目[3-6]，通過構建“上海市三維城市地質信息系統(tǒng)”[7]，上海海岸帶地區(qū)積累了豐富的地質資料信息，形成了大量基礎性和應用性成果圖件。針對地質環(huán)境演化、灘涂資源潛力評價、人類活動影響和監(jiān)測體系構建等方向編制了系列研究報告。此外，在數(shù)據(jù)公開共享和社會服務方面進行了一些有益的嘗試。

2 上海海岸帶地質環(huán)境監(jiān)測工作

系統(tǒng)的地質環(huán)境監(jiān)測工作始于2009年，并延續(xù)至今，每年開展。主要監(jiān)測內容包括上海近岸海域全區(qū)和重點區(qū)潮灘和水下地形、重點地區(qū)水下地形底質表層沉積物綜合剖面，以及海堤沉降等內容。

全區(qū)潮灘和水下地形監(jiān)測為在收集實測年同月監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上，每2年開展一次，其它工作均為每年開展，測線間距和海堤沉降監(jiān)測點間距均為1-2km[8]。為便于數(shù)據(jù)對比，除2009年是9-10月外，其它年份監(jiān)測時間均為5-6月。重點區(qū)水下地形監(jiān)測工作主要選擇重大工程分布區(qū)周邊水域，包括青草沙水庫周邊的長江口南支北港、南匯東灘和東海大橋周邊海域、金山石化周邊的金山深槽附近海域。水下地形底質表層沉積物綜合剖面主要部署在崇明東灘、橫沙東灘、九段沙、南匯東灘、杭州灣北沿等重點灘涂和工程分布區(qū)，為便于數(shù)據(jù)重疊對比，2012年后綜合剖面-5m水深線以深水域均采用多波束施測。另外，在黃浦江長江交匯口附近、青草沙水庫入庫和出庫水閘附近、大港垃圾場附近、上海石化基地附近等環(huán)境敏感的近岸地區(qū)開展了底質表層沉積物地球化學監(jiān)測。地形監(jiān)測技術根據(jù)高程不同主要采用RTK人工跑灘測量和單波束測深，數(shù)據(jù)處理利用了廣泛分布于上海近岸海域的固定潮位站，并根據(jù)需要補充了人工驗潮站布設。表層沉積物監(jiān)測主要采用抓斗取樣器，采集并保存了表層20cm以內的樣品。海堤沉降監(jiān)測范圍從上海陸域逐步覆蓋全市（包括崇明三島）海堤，部署監(jiān)測點均為潮灘監(jiān)測斷面起點。為識別區(qū)域性地面沉降影響，海堤沉降監(jiān)測點靠陸一側100m內部署了一個地面沉降監(jiān)測水準點，利用廣泛分布于全市的基巖監(jiān)測標作為起算點采用國家二等水準測量標準施測。

圖1 上海海岸帶地質環(huán)境監(jiān)測工作部署圖Fig.1 Deployment of coastal geological environmental monitoring in Shanghai

3 上海海岸帶地質工作主要成果

3.1 實現(xiàn)了地質資料的集成

上世紀80年代以來，上海近海陸域水工環(huán)地質調查精度較高，總體達到1:5萬。近岸海域調查精度較低，長江南支和攔門沙地區(qū)分別開展了1:10萬工程地質勘察和淺地層剖面調查，長江口外和杭州灣北岸除了零星的工程地質勘查外，調查精度較低。2004年以來，通過開展系列地質調查項目，調查精度大幅提升，區(qū)域調查精度達1:25萬。地質環(huán)境監(jiān)測自2009年后持續(xù)開展，區(qū)域水下地形監(jiān)測精度達1:10萬-1:15萬，積累了包括水下地形、淺地層剖面、單道地震、底質沉積物、地質淺鉆及沉積物測試數(shù)據(jù)等大量數(shù)據(jù)成果（表1）。

通過建立“上海市城市地質信息系統(tǒng)”，并對開展的地質調查和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行動態(tài)更新，完成了上海海岸帶地質基礎數(shù)據(jù)的集成，包括表層和柱狀沉積物及地質淺鉆實物樣品和測試數(shù)據(jù)、單道地震和淺地層剖面探測數(shù)據(jù)、不同年份區(qū)域、重點區(qū)、綜合剖面潮灘和水下地形及變化數(shù)據(jù)、不同年份潮位觀測數(shù)據(jù)、海堤沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)等大量數(shù)據(jù)。為便于數(shù)據(jù)管理，通過統(tǒng)一各類數(shù)據(jù)標準，所有收集和野外采集的電子數(shù)據(jù)均已進入“上海市三維城市地質信息系統(tǒng)”，該系統(tǒng)也提供了三維模型構建、潮位改正等數(shù)據(jù)處理和分析功能。所有實物樣品經(jīng)包裝或處理后在巖心庫進行了妥善保存?；A數(shù)據(jù)的積累為深化研究和成果應用奠定了基礎。

3.2 編制了大量基礎性和應用性成果圖件

海岸帶成果圖件的編制總體遵循 “科學”、“及時”、“直觀”和“海陸統(tǒng)籌”的原則。

表1 近年來上海近岸海域地質調查工作主要項目和數(shù)據(jù)成果Table 1 Main geological projects and acquired data of the research area in the past years

圖2 上海近岸海域1:25萬地質調查工作程度Fig.2 Finished geological survey of the research area scaled to 1:250,000

“科學”是圖件編制過程中數(shù)據(jù)處理的首要原則，要求成果圖件盡可能客觀地反映數(shù)據(jù)背后的信息。因此，除了通過軟件插值生成各類圖件，探索新方法和人工干預成為必需環(huán)節(jié)。如海陸一體地形圖的編制過程中，由于陸域高程（上海吳淞基面）和海域高程（理論最低潮面）基準的不同，需要先識別二者關系，構建海域吳淞基面-理論基面的關系曲面，同時補充海島、海堤、水庫等約束條件，才能實現(xiàn)二者數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，達到科學表達的目的。此外，地形圖、地層厚度圖各類等值線繪制也需通過人工干預形成手繪等值線作為約束的基礎上成圖。

“及時”代表利用最新數(shù)據(jù)成果以反映最新地質現(xiàn)象和特征，也利于實現(xiàn)海陸界線的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)成果的有效應用，如遙感影像、地理底圖等編制均利用2017年數(shù)據(jù)，海域底圖統(tǒng)一采用最新的監(jiān)測結果繪制形成，對灘涂規(guī)劃、港口航道評價等更具參考價值。

“直觀”代表在圖件編制過程中盡可能簡化圖面信息，同時嘗試利用新方法進行表達，更易于成果理解和應用。如金山深槽海域開展了全覆蓋多波束監(jiān)測，但利用Surfer或ArcGIS軟件編制的傳統(tǒng)水深圖和三維圖難以反映其細微信息，而利用Global Mapper軟件重新成圖則清晰揭示了明顯的侵蝕陡坎和豐富的微地貌信息，為后期海底滑坡和海床穩(wěn)定性研究工作提供了直接的證據(jù)。

“海陸統(tǒng)籌”是中國地質調查局近年對海岸帶地質工作的新要求，代表了全國海岸帶地質工作的重要方向。由于陸域和海域工作程度、人類活動影響程度和相關技術標準等方面的顯著差異，“海陸統(tǒng)籌”也成為當前海岸帶地質工作亟需攻克的難點。基于有限實踐和探索，我們認為對淺部和深部地層可通過統(tǒng)一鉆孔選取、編錄、分層和測試要求等實現(xiàn)“海陸一體”。更大的難點在地表信息的一體化，包括地形、沉積物類型和地球化學等圖件。從陸海成果的“機械隔離”到二者的“有機整合”，除了采用前述通過基面關系曲面構建陸海關系之外，還需突破現(xiàn)有技術標準的限制，重點在岸線附近將兩側信息進行對比并將相近信息用統(tǒng)一顏色表示。為了避免犧牲成果圖件科學性，在花紋和圖例上應明示陸海區(qū)別。

編制成果圖件總體分為基礎性和應用性圖件兩類（表2）。其中，基礎性圖件包括基巖地質、第四紀地質、工程地質和海岸帶侵蝕淤積等類別。應用性圖件包括地質資源和地質環(huán)境系列圖件，重點結合土地規(guī)劃、環(huán)境保護、海洋功能區(qū)劃和重大工程管理等應用需要[9]。這些成果圖件的編制對深化長江口現(xiàn)狀和演化過程的理解、實施地質資源環(huán)境承載能力評價和上海近岸海域科學規(guī)劃提供了科學依據(jù)。

3.3 深化了地質環(huán)境現(xiàn)狀和過程的理解

通過多個項目和專題研究成果編制，提升了對上海海岸帶地質環(huán)境現(xiàn)狀和過程的認識水平，包括潮灘和水下地形演變規(guī)律、表層沉積物分布和環(huán)境質量、第四紀地質和工程地質結構、工程地質和環(huán)境地質問題、古環(huán)境演變過程、基巖地層和構造特征、海堤沉降規(guī)律和機制、人類活動影響等方面。同時，構建了上海海岸帶地質環(huán)境監(jiān)測體系，為上海海岸帶常態(tài)化監(jiān)測指明了方向。取得的主要研究成果見表3所示。

表2 近年來上海海岸帶主要成果圖件Table 2 Main production maps of the research area in the past years

4 主要成果應用情況

關注成果應用是上海市地質工作的特點，2002年出版的《上海市地質環(huán)境圖集》[10]，為城市規(guī)劃、建設和管理提供了有力支撐。2010年出版的《上海城市地質圖集》[11]，大大豐富了城市地質和海岸帶地質成果。之后隨著“上海三維城市地質信息系統(tǒng)”的建設、“上海市地質資料信息服務集群化和產業(yè)化工作三年行動計劃”的實施和上海城市地質工作應用領域的拓展，上海海岸帶地質工作的應用程度也日益提高[12]。上海海岸帶地質成果應用主要表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）數(shù)據(jù)公開和共享。通過建立“上海地質資料信息共享平臺”（http://www.sigs.com.cn），并依托“上海研發(fā)公共服務平臺”，基本實現(xiàn)了上海海岸帶地質數(shù)據(jù)的分級公開和共享。公開的海岸帶地質資料包括元數(shù)據(jù)、地質圖和三維模型等類型，具體包括水下地形、表層沉積物、潮位觀測數(shù)據(jù)、海堤和地面沉降、地質鉆孔、地質構造和灘涂資源等數(shù)據(jù)和成果。2012年后將上海海岸帶地質環(huán)境監(jiān)測成果整合進《上海市地質環(huán)境公報》并定期發(fā)布，進一步實現(xiàn)了成果資料的動態(tài)公開。2017年開始，在“上海市地理國情監(jiān)測平臺”的“地表覆蓋”類數(shù)據(jù)中補充了水域地形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了上海近岸海域水下地形數(shù)據(jù)的共享和定期更新。

（2）服務于城市規(guī)劃。為上海城市總體規(guī)劃、上海市土地利用總體規(guī)劃和上海市海洋功能區(qū)劃提供了上海近岸海域水下地形、灘涂資源數(shù)量與質量、灘涂資源潛力、地質資源環(huán)境承載力評價等地質成果，為上海市城市安全、土地利用、灘涂資源開發(fā)、海洋產業(yè)發(fā)展與海洋環(huán)境保護提供了決策支持。

（3）服務于重大工程安全管理。利用海堤沉降、近岸侵蝕淤積變化規(guī)律、水下岸坡坡度和海堤沿線工程地質條件等指標，定期針對全市一線海堤安全開展地質環(huán)境綜合評價，并提供給海堤和相關工程管理部門，為海堤和工程維護和安全管理提供了科學依據(jù)，節(jié)約了工程維護成本。

表3 近年來上海海岸帶地質工作主要研究成果Table 3 Main geological research results of the research area in the past years

5 展望

目前，通過開展“地質工作服務城市發(fā)展戰(zhàn)略研究”，基于各類海岸帶地質數(shù)據(jù)和成果，上海市已進一步明確未來海岸帶地質工作成果服務領域和方向，包括城市規(guī)劃、土地管理、工程建設、城市安全和科普宣傳等，并明確了不同領域在不同階段對地質工作的需求和服務成果清單，為上海海岸帶地質成果更廣泛地服務社會發(fā)展開辟了全新的途徑。

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